JP2002042847A

JP2002042847A - 固体高分子型燃料電池システム

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Publication number: JP2002042847A
Application number: JP2000224723A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Arai; 康弘新井; Soichiro Shimotori; 宗一郎霜鳥; Hiroshi Tomosawa; 洋知沢; Katsunori Sakai; 勝則酒井; Michio Hori; 美知郎堀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2002-02-08

Abstract

(57)【要約】【課題】アノード入口の改質ガスを固体高分子電解質
膜にとって適度に濡れた状態で供給し、電池性能を安定
かつ高性能に維持し、電池システム全体の効率を高く維
持する。【解決手段】燃料電池本体と、燃料ガスを改質するた
めの燃料処理器と、その燃料処理器と燃料電池本体の燃
料極入口との間に設けられ、改質ガスに含まれる水を回
収する水ドレイン回収部と、を有する固体高分子型燃料
電池システムであって、水ドレイン回収部は、燃料処理
器で生成された改質ガスと燃料処理器に供給される改質
用水と熱交換を行い、改質ガス中の過剰水分を回収す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料極及び酸化剤
極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体
高分子電解質膜を挟持してなり、反応ガスである燃料ガ
ス及び酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行い電
気的出力を発生する燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子電
解質膜を挟んで燃料極であるアノード側電極と酸化剤極
であるカソード側電極を向かい合わせた電池セルをセパ
レータで挟持した構造物を複数枚積層して構成されてい
る。車載用等では機動性を重視するため、通常、燃料に
は純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムが
多い。ところが、定置用や家庭用になると、インフラス
トラクチャの問題から、燃料にはメタン成分の多い都市
ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。
この場合は、燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸
気を混合して水素を生成させる方法が一般的である。い
ずれのシステムもアノード電極側に供給された水素がイ
オン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード電極
側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対し
て電気エネルギが得られる。

【０００３】ところで、固体高分子電解質膜は電池性能
を十分に引き出すためには適度に加湿されている必要が
あり、純水素燃料の場合では、アノード入口で燃料に水
分を多く含ませるように水蒸気を加えていることが多
い。一方、都市ガス等の改質燃料では、前述したように
水蒸気を加えて改質する必要があるため、アノード入口
での水蒸気添加は必要ない。いずれにしてもアノード電
極側に適度の水蒸気供給が求められるが、この水分が多
すぎる場合、すなわち水分の凝縮が起こる過飽和状態の
場合、水素燃料が通過するアノード電極側流路で、凝縮
水が燃料通過を阻害し、電極反応を低下させるフラッデ
ィング現象を引き起こす。

【０００４】このフラッディングによる電池性能低下を
防止する方法として、アノード入口で余分な水分を回収
する方法が提案され、例えば、特開平７−２２６２２４
号公報の燃料供給装置や特開平１０−３２１２４６号公
報の燃料電池システムが知られている。

【０００５】前者の燃料供給装置は、炭化水素化合物を
水蒸気改質して水素ガスを水蒸気の混合状態で生成する
改質手段と、生成された水素ガスを水蒸気とともに燃料
電池に供給する供給手段と、該供給される水素ガスの経
路において水蒸気を除去し、燃料電池に供給される水素
ガス中の水蒸気の混在量を調整する水蒸気混在量調節手
段とを備えている。

【０００６】一方、後者の燃料電池システムは、冷却媒
体を循環して固体高分子型燃料電池を冷却する冷却媒体
循環装置と、メタノールを改質してアノード側電極に供
給される水蒸気を含む水素ガスを生成する燃料改質装置
と、燃料電池を冷却して温度が高くなった冷却媒体と水
蒸気を含む水素ガスとを熱交換させることにより、水蒸
気を含む水素ガスを、燃料電池の作動温度と略同一温度
にかつ飽和水蒸気を含むように調整する調湿熱交換装置
とを備えている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術におけ
る、前者の燃料供給装置においては、ＰＥＦＣ（固体高
分子型燃料電池）とメタノール改質装置との間に、水蒸
気混在量調節手段としてバッファータンクが配設される
とともに、このバッファータンクの冷却媒体としてＰＥ
ＦＣの冷却水を使用するように構成されている。

【０００８】この構成の問題点は、冷却水循環回路に冷
却水を放熱により所定温度に冷却する放熱器が設けられ
るとともに、冷却水循環回路とは個別にタンク冷却水循
環回路が設定され、装置全体が複雑化しかつ大型化する
点が指摘されている。

【０００９】一方、後者の燃料電池システムにおいて
は、冷却媒体循環装置を介して循環する冷却水が、燃料
電池を冷却することにより、この燃料電池の作動温度と
略同一温度になった状態で調湿熱交換装置に供給され
る。この構成及び制御によれば、電池冷却水温度がアノ
ード入口改質ガス温度よりも高い場合、アノード入口改
質ガスの露点を下げることができず、逆に加熱してしま
う恐れが生じる。すなわち、アノード入口改質ガスの余
剰水分除去ができない場合が生じる。

【００１０】さらに、両者の従来技術に共通の課題であ
るが、アノード入口の改質ガス熱を電池システムに回収
しないで捨てる方法であり、全体のシステム効率を考え
た場合、その値を低下させる方向であり、ランニングコ
スト的には分が悪くなる。

【００１１】本発明は、この種の課題を解決するもので
あり、アノード入口の改質ガスを固体高分子電解質膜に
とって適度に濡れた状態で供給し、電池性能を安定かつ
高性能に維持し、電池システム全体の効率を高く維持で
きる燃料電池システムを提供することを目的とする。

【００１２】さらには、改質用に燃料に添加される水蒸
気流量の管理も、アノード入口での凝縮熱を改質用水に
回収することにより、全体のシステム効率を低下させる
ことなく、カーボンフォーメーションを防止、改質器を
含む燃料処理器の運転の信頼性を高めることができる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム
は、燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス拡散電極の
間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持してな
り、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学
的反応により発電を行い電気的出力を発生する燃料電池
本体と、前記燃料ガスを改質するための燃料処理器と、
その燃料処理器と前記燃料電池本体の燃料極入口との間
に設けられ、改質ガスに含まれる水を回収する水ドレイ
ン回収部と、を有する固体高分子型燃料電池システムで
あって、前記水ドレイン回収部は、前記燃料処理器で生
成された改質ガスと燃料処理器に供給される改質用水と
熱交換を行い、改質ガス中の過剰水分を回収するもので
あること、を特徴とする。

【００１４】この構成によって、アノードに供給される
改質ガス温度がそれよりも低い改質用水と熱交換、冷却
される。このため、水蒸気を含む水素ガスは、その露点
よりも低い温度に調整され、余剰の水蒸気がタンク内で
凝縮して液化して、水素ガスと分離される。このよう
に、燃料電池には、電池温度よりも低い飽和水蒸気を含
む水素ガスが供給されるため、電池内部でのフラッディ
ングによる電池性能低下を防止し、安定した電池性能を
維持できる。さらには、改質用水に凝縮水の熱を回収す
るため、全体システムの効率を低下させることなくカー
ボンフォーメーションを防止、改質器を含む燃料処理器
の運転信頼性を高めることができる。請求項２は、前記
水ドレイン回収部は、改質ガス通路をドレインタンク内
部に配置し、また、改質用水通路をタンク外部に配置し
てここで改質ガスと水が熱交換することを特徴とする請
求項１の固体高分子型燃料電池システムである。この構
成によって、改質ガスと改質用水の熱交換性能を向上、
熱交換器をコンパクト化できる。

【００１５】請求項３は、前記水ドレイン回収部は、改
質ガス通路をドレインタンク内部に配置し、また、改質
用水通路をタンク内側に配置して、ここで改質ガスと水
の熱交換をさせることを特徴とする請求項１の固体高分
子型燃料電池システムである。この構成によって、改質
ガスと改質用水の熱交換性能を向上、熱交換器をコンパ
クト化できる。

【００１６】請求項４は、前記タンク内の改質用水通路
の外側にフィン部を設けたことを特徴とする請求項３の
固体高分子型燃料電池システムである。この構成によっ
て、フィンのない場合に比べて改質ガスと改質用水の熱
交換性能を向上させ、熱交換器を一層コンパクト化でき
る。

【００１７】請求項５は、前記水ドレイン回収部は、タ
ンク外部において改質ガス通路を外側に配置し、改質用
水通路を内側に配置した２重管で改質ガスと水の熱交換
をさせることを特徴とする請求項１の固体高分子型燃料
電池システムである。この構成によって、改質ガスと改
質用水の熱交換性能を向上、熱交換器をコンパクト化で
きる。

【００１８】請求項６は、前記水ドレイン回収部で回収
した改質ガス中の過剰水分を、改質用水を供給する水タ
ンクに回収するドレイン戻り管を有することを特徴とす
る請求項１の固体高分子型燃料電池システムである。こ
の構成によって、水ドレイン回収部で回収した水を改質
用水タンクに回収することができ、水自立化が可能とな
る。

【００１９】請求項７は、前記水ドレイン戻り管には電
磁弁が設けられていることを特徴とする請求項６の固体
高分子型燃料電池システムである。この構成によって、
水ドレイン回収部で回収した水を安定的に改質用水タン
クに回収でき、水自立化が可能となる。

【００２０】請求項８は、前記水ドレイン戻り管には流
路抵抗体が設けられていることを特徴とする請求項６の
固体高分子型燃料電池システムである。この構成によっ
て、水ドレイン回収部で回収した水を安定的に改質用水
タンクに回収するでき、水自立化が可能となる。

【００２１】請求項９は、前記水ドレイン回収部の熱交
換機能を、改質用水を供給する水タンク部で有すること
を特徴とする。この構成によって、水ドレイン回収部で
の熱交換器が不要となる。

【００２２】請求項１０は、前記水タンク部は、改質ガ
ス通路を外部に配置し、改質用水貯留部を内部に配置し
て、ここで改質ガスと水が熱交換する構造であることを
特徴とする請求項９の固体高分子型燃料電池システムで
ある。この構成によって、水ドレイン回収部での熱交換
器が不要となる。

【００２３】請求項１１は、前記水タンク部は、改質用
水貯留部内部に改質ガス通路を配置してここで水と改質
ガスが熱交換する構造であることを特徴とする請求項９
の固体高分子型燃料電池システムである。この構成によ
って、水ドレイン回収部での熱交換器が不要となる。

【００２４】請求項１２は、前記水ドレイン回収部の熱
交換部を流れる改質用水は、下から上に流れる構造であ
ることを特徴とする請求項１の固体高分子型燃料電池シ
ステムである。この構成によって、改質ガスと改質用水
の熱交換性能を大幅に向上、熱交換器を一層コンパクト
化できる。

【００２５】請求項１３は、前記改質用水を供給する水
タンク部の熱交換部を流れる改質ガスは、上から下に流
れる構造であることを特徴とする請求項９の固体高分子
型燃料電池システムである。この構成によって、改質ガ
スと改質用水の熱交換性能を大幅に向上、熱交換器を一
層コンパクト化できる。

【００２６】請求項１４は、前記水ドレイン回収部は、
前記燃料処理器で生成された改質ガス中に含まれる水分
を、酸化剤ガス入口の酸化剤ガス中に全熱交換手段によ
って回収させることを特徴とする請求項１の固体高分子
型燃料電池システムである。この構成によって、除湿能
力を大幅に向上、全熱交換器をコンパクト化できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池
システムに係る一つの実施の形態（請求項１〜８、１
２）の構成図である。この実施の形態における燃料電池
システムは、主に燃料処理系（FPS；Fuel Processing S
ystem）１、電池本体（CSA；Cell Stack Assembly）２
から構成される。燃料処理系１は、燃料源３、脱硫器
４、水蒸気発生器５、改質器６、一酸化炭素（CO）シフ
ト反応器７、CO選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用
水タンク１０、アノード入口水ドレイン回収部１１、改
質用水ポンプ１２、他から構成される。燃料源３から供
給される燃料は、炭化水素系燃料、例えばプロパンや都
市ガスである。一方、電池本体２は、アノード１３、カ
ソード１４、水冷却部１５、電池冷却水ポンプ１６、熱
交換器３２、他から構成される。さらに、燃料処理系１
並びに電池本体２に共通な部品として、他に空気ブロア
１７、凝縮熱交換器１８、他が含まれる。

【００２８】次に、本固体高分子型燃料電池システムの
発電原理を簡単に説明する。燃料に例えばプロパンを使
用する場合、プロパンから水素ガスへの改質は、燃料処
理系１で行われる。最初に、脱硫器４を通過したプロパ
ン燃料源３は、例えば活性炭吸着によって硫黄分が取り
除かれ、次に改質器６を通過する。この手前で、水蒸気
発生器５で水が加熱され、ガス化した水蒸気がプロパン
ガスに合流する。改質器６では触媒によりプロパンと水
蒸気の反応から、水素が生成するが、同時にCOの生成も
行われる。この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器６
には水蒸気発生器５と兼用する加熱用の燃焼器が必要と
なる。

【００２９】固体高分子型燃料電池は、電池本体２の電
解質膜及び触媒層から構成されるMEA（Membrane Electr
ode Assembly）でのCO被毒が問題となるため、COは二酸
化炭素（CO₂）へ酸化させる必要がある。このため、CO
選択酸化器８では、触媒によりCO被毒が発生しない程度
に、空気ブロア１７の空気供給により酸化反応を進める
必要がある。また、図示しないが、改質器６を含めたこ
れらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器６の数百
度からCO選択酸化器８の百数十度と、改質ガスの上流と
下流の温度差が大きいため、実際には下流側温度を下げ
るための熱交換器が必要となり、例えば水蒸気発生器５
を兼用する構成も考えられる。プロパン改質の場合、CO
からCO₂への酸化反応を省略し、全体をスルーした水蒸
気改質反応は以下の(1)式のようになる。

【００３０】C₃H₈＋６H₂O→３CO₂＋１０H₂ …(1) CO選択酸化器８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸
ガス、水蒸気等より構成される。水蒸気が含まれている
理由は、通常(1)式の反応において、過剰の水蒸気を供
給するためである。これは、反応水蒸気量に余裕がない
と改質触媒において、カーボンフォーメーションと呼ば
れる炭化反応が進み、触媒を炭化、その劣化を招くばか
りでなく、改質ガス通路を閉塞してしまう恐れがあるた
めである。さらには、アノード供給ガスに適度に水分を
含んでないと、アノード電極での反応が進行しにくく、
電池の性能を高く発揮することが困難になるため、その
ためにも水蒸気発生器５から改質ガスに加えられる水蒸
気は多めに供給制御される。これらのガスが、改質ガス
通路１９を経てアノード入口水ドレイン回収部１１に入
り、ここで水分とガス分が分離される。ここで、ガス分
のみガス通路１９ａを経て電池本体２のアノード１３に
送り込まれる。水ドレイン回収部１１はその上流側に改
質ガスと改質用水の熱交換を行う熱交換器機能を有し、
高温のアノード供給ガスが冷却され、過剰水蒸気及びミ
ストはタンク部に凝縮し、水蒸気はその冷却温度、すな
わち露点における飽和水蒸気となってアノード１３に供
給される。一方、逆に改質用水は、改質用水路２０を経
て水ドレイン回収部に送られて、ここで改質ガスによっ
て加熱され、配管２０ａを経て水蒸気発生器５へ送ら
れ、改質用水が加熱される。水蒸気発生器５で水から水
蒸気に加熱する燃焼量を少なくできるため、システム全
体の効率を向上維持することができる。

【００３１】水ドレイン回収部１１で分離された水ドレ
インはドレイン戻り管４０を通って水タンク１０へ送ら
れる。

【００３２】アノード１３に送り込まれた水素ガスは、
MEAの触媒層を経てプロトンH⁺が電解質膜を通過し、空
気ブロア１７によりカソード１４を通過する空気中の酸
素及び電子と結びついて水が生成される。したがって、
アノードは陰極、カソード極は陽極となり、電位を持っ
て直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持てば
電源としての機能を持つことになる。残ったアノード出
口ガスは、水蒸気発生器５及び改質器６の加熱用燃焼ガ
スとして使われる。また、カソード出口ガス中の水蒸気
及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、凝縮熱交換器１８によ
り、水分を回収し、システムでの水自立を図っている。

【００３３】MEA触媒での反応温度は、通常１００℃以
下が適当であり、電池本体２の温度はそれ以下になるよ
うに、電池冷却水ポンプ１６で送り込まれる冷却水で冷
却されるが、図示していない排熱利用熱交換器で放熱さ
れ、電池本体２の入口冷却水温度が一定になるように電
気制御部（図示せず）を介して制御される。

【００３４】運転中の電池冷却水温度は、通常アノード
入口ガス温度より高くなるように制御される。理由は、
電池冷却水温度に近い電池温度がアノード入口ガス温度
より低い場合、アノード通路で水の凝縮が起こり、いわ
ゆるフラディングによる燃料ガスの配流阻害、電池性能
の低下を招きやすくなるためである。

【００３５】なお、電池スタック本体の種類としては、
電池の冷却方式が水をアノードに直接入れ、水の蒸発潜
熱を使って電池を冷却する潜熱冷却方式のスタックも提
案されているが、この種のスタックにおいても本発明を
実施できる。すなわち、アノード入口で、改質ガス中に
含まれる余剰水分を除去する方法において、後述する効
果と同様の効果を持つ。

【００３６】本実施の形態のように、アノード入口で露
点を下げてアノードガス中の余剰水分を取り除くこと
は、燃料電池に電池温度よりも低い飽和温度の飽和水蒸
気を含む水素ガスが供給されるため、電池内部でのフラ
ッディングによる電池性能低下を防止し、安定した電池
性能を維持できる。さらには、改質用水に凝縮水の熱を
回収するため、全体システムの効率を低下させることな
くカーボンフォーメーションを防止し、改質器を含む燃
料処理器の運転信頼性を高めることができる。

【００３７】図２は、本発明の燃料電池システムにおけ
る水ドレン回収部の一つの実施の形態（請求項１、２、
１２）の構成図である。この実施の形態における燃料電
池システムの水ドレイン回収部１１は、改質ガス通路１
９をドレインタンク内部、改質用水通路２０をタンク外
部に配置してそれぞれの改質ガスと水が熱交換する。こ
の場合、タンクの上から下に入る改質ガスと下から上に
向かう改質用水の流れ方向は対向流になるため、熱交換
性能は優れ、熱交換器をコンパクト化できる。

【００３８】図３は、本発明の燃料電池システムにおけ
る水ドレイン回収部の他の実施の形態（請求項１、３、
４、１２）の構成図である。この実施の形態における燃
料電池システムの水ドレイン回収部１１ａは、タンク内
部で改質ガス通路１９を外側、改質用水通路２０をタン
ク内側に配置してそれぞれの改質ガスと水が熱交換す
る。なお、改質用水通路２０はその伝熱面積を広くする
ためにタンク内部でらせん状（図示せず）に巻かれてい
るような構造でもよい。そのようにすれば、改質ガスと
改質用水の熱交換性能を向上、熱交換器をコンパクト化
できる。また、改質用水通路２０の外側にフィン４１を
設けることによって、伝熱面積を拡大することもでき
る。

【００３９】図４は、本発明の燃料電池システムにおけ
るドレイン回収部のさらに他の形態（請求項１、５、１
２）の構成図である。この実施の形態における燃料電池
システムの水ドレイン回収部１１は、タンク外部におい
て改質ガス通路１９を外側、改質用水通路２０を内側に
配置した２重管でそれぞれの改質ガスと水が熱交換す
る。この場合、構造が非常にシンプルで熱交換性能は優
れる。なお、このタンク外部での2重管熱交は曲管でも
よく、例えばらせん状構造でもよい。また、図４の実施
の形態では、改質用水通路２０を、水ドレイン回収部１
１入口部に接続された改質ガス通路１９内に配置してい
るが、これを水ドレイン回収部１１出口部に接続された
改質ガス通路１９ａ内に配置することも可能である。た
だし、いずれの場合も、対抗流であることが望ましい。

【００４０】図５は、本発明の燃料電池システムに係る
さらに他の実施の形態（請求項１〜６、７、１２）の構
成図である。この実施の形態では、水ドレイン回収部１
１で回収した改質ガス中の過剰水分は、ドレイン戻り管
４０を経て改質用水を供給する水タンク１０に回収され
る。ドレイン戻り管４０には電磁弁２１があって、その
回収水は、水タンクに電磁弁２１の開閉により断続的に
回収される。電磁弁を断続的使う理由は、水ドレイン回
収部１１タンク内部圧力が水タンク１０の圧力よりも高
いためであり、常に電磁弁を開けていると水ドレイン回
収部１１タンク内の水がなくなり、水タンク１０内部に
燃料である改質ガスが流入する恐れがあるためである。
この実施の形態により、水ドレイン回収部で回収した水
を安定的に改質用水タンクに回収でき、水自立化が可能
となる。

【００４１】図６は、本発明の燃料電池システムに係る
さらに他の実施の形態（請求項１〜６、８、１２）の構
成図である。この実施の形態は、図５の実施の形態の電
磁弁２１に替えて、たとえば曲がり細管のような流路抵
抗体２２を配置したものである。流路抵抗体２２を使う
理由は、水ドレイン回収部１１タンク内部圧力が水タン
ク１０の圧力よりも高いためであり、抵抗がないと水ド
レイン回収部１１タンク内の水がなくなり、水タンク１
０内部に燃料である改質ガスが流入する恐れがあるため
である。なお、図６の流動抵抗体２２と直列に、図５の
電磁弁４０をさらに接続してもよい（図示せず）。

【００４２】図２、図３、図５、図６の実施の形態で、
改質ガス出口通路１９ａの水ドレイン回収部１１からの
取出し口は、必ずしも水ドレイン回収部１１の上部でな
くとも、水面の上方であればよい。ただし、改質ガス入
口通路１９と出口通路１９ａが短絡しないように、これ
らの間に仕切りを入れるなどの工夫が必要である。

【００４３】図７は、本発明の燃料電池システムに係る
さらに他の実施の形態（請求項１、９、１０、１３）の
構成図である。この実施の形態における燃料電池システ
ムの水ドレイン回収部１１の熱交換機能は、改質用水を
供給する水タンク１０で有する。そして、水タンク１０
では、改質ガス通路１９を外部、改質用水貯留部を内部
に配置してそれぞれの改質ガスと水が熱交換する。この
場合、水ドレイン回収部での熱交換器は不要となる。ま
た、水タンク部の熱交換部を流れる改質ガスは、上から
下に流れるので配管途中で凝縮する水分を、改質ガスの
流れに乗せて下流に位置する水ドレイン回収部１１に回
収することができる。

【００４４】図８は、本発明の燃料電池システムに係る
さらに他の実施の形態（請求項１、９、１１、１３）の
構成図である。この実施の形態では、図７で水タンク１
０の外部に配置されていた改質ガス通路１９を水タンク
１０の内部に配置する。さらに、改質用水貯留部内部の
改質ガス通路１９配管外側にフィンを設けて改質用水側
伝熱面積を広くし、熱交性能を向上させた実施の形態を
示している。

【００４５】図７及び図８の例では、水ドレインの水タ
ンク１０への回収方法として、電磁弁２１を用いるが、
電磁弁２１に替えて、図６の実施の形態で用いたのと同
様の流路抵抗体２２を用いることも可能である（図
略）。

【００４６】図９は、本発明の燃料電池システムに係る
さらに他の実施の形態（請求項１、１４）の構成図であ
る。この実施の形態における燃料電池システムの水ドレ
イン回収部１１は、前記燃料処理器で生成された改質ガ
ス中に含まれる水分を、酸化剤ガス入口の酸化剤ガス中
に全熱交換手段によって回収させる。この方法は、アノ
ード１３入口に入る前の水蒸気及び水分の多い改質ガス
を、カソード１４入口の湿分の少ない空気に全熱交換手
段２３によって湿度交換させる方法で、湿分をアノード
入口側からカソード入口側に移動させることができる。
そして、湿度交換できない改質ガス中のミスト水分は、
水ドレイン回収部１１に回収する。この全熱交換手段に
使う、例えば湿度交換膜は、イオン交換膜や和紙であ
る。この構成によって、除湿能力を大幅に向上、全熱交
換器をコンパクト化できる。

【００４７】

【発明の効果】本発明の燃料電池システムでは、燃料電
池には、電池温度よりも低い温度の飽和水蒸気を含む水
素ガスが供給されるため、電池内部でのフラッディング
による電池性能低下を防止し、安定した電池性能を維持
できる。さらには、改質用水に凝縮水の熱を回収するた
め、全体システムの効率を低下させることなくカーボン
フォーメーションを防止、改質器を含む燃料処理器の運
転信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池システム係る一つの実施の形
態の系統構成図。

【図２】本発明の燃料電池システム係るドレイン回収部
の一つの実施の形態の構成図。

【図３】本発明の燃料電池システム係るドレイン回収部
の他の実施の形態の構成図。

【図４】本発明の燃料電池システム係るドレイン回収部
のさらに他の実施の形態の構成図。

【図５】本発明の燃料電池システム係るドレイン回収部
のさらに他の実施の形態の構成図。

【図６】本発明の燃料電池システム係るドレイン回収部
のさらに他の実施の形態の構成図。

【図７】本発明の燃料電池システム係るドレイン回収部
のさらに他の実施の形態の構成図。

【図８】本発明の燃料電池システム係るドレイン回収部
のさらに他の実施の形態の構成図。

【図９】本発明の燃料電池システム係るさらに他の実施
の形態の系統構成図。

【符号の説明】１…燃料処理系、２…電池本体、３…燃料タンク、４…
脱硫器、５…水蒸気発生器、６…改質器、７…COシフト
反応器、８…CO選択酸化器、９…水蒸気分離器、１０…
改質用水タンク、１１…水ドレイン回収部、１２…改質
用水ポンプ、１３…アノード、１４…カソード、１５…
水冷却部、１６…電池冷却水ポンプ、１７…空気ブロ
ア、１８…凝縮熱交、１９…改質ガス通路、１９ａ…改
質ガス通路、２０…改質用水通路、２０ａ…配管、２１
…電磁弁、２２…流路抵抗体、２３…全熱交換手段、４
０…ドレイン戻り管、４１…フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者知沢洋神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者酒井勝則神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者堀美知郎神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09 BA16 BA17 CC06 MM01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス
拡散電極の間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟
持してなり、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの
電気化学的反応により発電を行い電気的出力を発生する
燃料電池本体と、前記燃料ガスを改質するための燃料処
理器と、その燃料処理器と前記燃料電池本体の燃料極入
口との間に設けられ、改質ガスに含まれる水を回収する
水ドレイン回収部と、を有する固体高分子型燃料電池シ
ステムであって、前記水ドレイン回収部は、前記燃料処
理器で生成された改質ガスと燃料処理器に供給される改
質用水と熱交換を行い、改質ガス中の過剰水分を回収す
るものであること、を特徴とする固体高分子型燃料電池
システム。
【請求項２】前記水ドレイン回収部は、改質ガス通路
をドレインタンク内部に配置し、また、改質用水通路を
タンク外部に配置してここで改質ガスと水が熱交換する
ことを特徴とする請求項１の固体高分子型燃料電池シス
テム。
【請求項３】前記水ドレイン回収部は、改質ガス通路
をドレインタンク内部に配置し、また、改質用水通路を
タンク内側に配置して、ここで改質ガスと水の熱交換を
させることを特徴とする請求項１の固体高分子型燃料電
池システム。
【請求項４】前記タンク内の改質用水通路の外側にフ
ィン部を設けたことを特徴とする請求項３の固体高分子
型燃料電池システム。
【請求項５】前記水ドレイン回収部は、タンク外部に
おいて改質ガス通路を外側に配置し、改質用水通路を内
側に配置した２重管で改質ガスと水の熱交換をさせるこ
とを特徴とする請求項１の固体高分子型燃料電池システ
ム。
【請求項６】前記水ドレイン回収部で回収した改質ガ
ス中の過剰水分を、改質用水を供給する水タンクに回収
するドレイン戻り管を有することを特徴とする請求項１
の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項７】前記水ドレイン戻り管には電磁弁が設け
られていることを特徴とする請求項６の固体高分子型燃
料電池システム。
【請求項８】前記水ドレイン戻り管には流路抵抗体が
設けられていることを特徴とする請求項６の固体高分子
型燃料電池システム。
【請求項９】前記水ドレイン回収部の熱交換機能を、
改質用水を供給する水タンク部で有することを特徴とす
る請求項１の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項１０】前記水タンク部は、改質ガス通路を外
部に配置し、改質用水貯留部を内部に配置して、ここで
改質ガスと水が熱交換する構造であることを特徴とする
請求項９の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項１１】前記水タンク部は、改質用水貯留部内
部に改質ガス通路を配置してここで水と改質ガスが熱交
換する構造であることを特徴とする請求項９の固体高分
子型燃料電池システム。
【請求項１２】前記水ドレイン回収部の熱交換部を流
れる改質用水は、下から上に流れる構造であることを特
徴とする請求項１の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項１３】前記改質用水を供給する水タンク部の
熱交換部を流れる改質ガスは、上から下に流れる構造で
あることを特徴とする請求項９の固体高分子型燃料電池
システム。
【請求項１４】前記水ドレイン回収部は、前記燃料処
理器で生成された改質ガス中に含まれる水分を、酸化剤
ガス入口の酸化剤ガス中に全熱交換手段によって回収さ
せることを特徴とする請求項１の固体高分子型燃料電池
システム。